[发明专利]低热阻硅基氮化镓微波毫米波器件材料结构及制备方法

说明书

本发明涉及一种低热阻硅基氮化镓微波毫米波器件材料结构及制备方法，该器件材料结构包括：硅衬底层(1)；高热导率介质层(2)，位于所述硅衬底层(1)的上表面，且与所述硅衬底层(1)之间形成凹凸不平的第一图案化界面；缓冲层(3)，位于所述高热导率介质层(2)的上表面，且与所述高热导率介质层(2)之间形成凹凸不平的第二图案化界面；沟道层(4)，位于所述缓冲层(3)的上表面；复合势垒层(5)，位于所述沟道层(4)的上表面。该低热阻硅基氮化镓微波毫米波器件材料结构中，高热导率介质层与硅衬底层以及缓冲层之间均形成凹凸不平的图案化界面，增大了界面的接触面积，降低了界面热阻，从而减小了器件的热阻，提高了器件的散热性能。

技术领域

本发明属于半导体器件技术领域，具体涉及一种低热阻硅基氮化镓微波毫米波器件材料结构及制备方法。

背景技术

随着微电子技术的发展，以氮化镓为代表的第三代宽禁带半导体材料有更大的禁带宽度、更高的临界击穿电场和较高的电子饱和漂移速度、稳定的化学性能、以及耐高温和抗辐射等物理性质，用氮化镓材料制作电子器件可以进一步减少芯片面积、提高工作频率、提高工作温度、降低导通电阻以及提高击穿电压等，氮化镓材料在制备微波毫米波器件方面有巨大的潜力。

氮化镓以及与氮化镓同一材料体系的铝镓氮、铟铝氮等具有很高的极化系数，氮化镓与比氮化镓禁带宽度大的铝镓氮或铟铝氮形成的异质结构能够形成二维电子气，在室温下可以获得高于1500cm²/V·s的电子迁移率、高达1.5×10cm⁷/s的饱和电子速度和高于1×10¹³cm^-2的二维电子气浓度，由此基于氮化镓材料研制的高速肖特基二极管(SchottkyBarrier Diode，简称SBD)和高电子迁移率晶体管(High Electron Mobility Transistor，简称HEMT)器件能够具有更低的导通电阻和更高的输出电流。另外，氮化镓材料的较高的临界击穿电场强度可以使电子器件具有更高的击穿电压，从而使器件能够在更高的工作电压下工作，使器件拥有更高的微波输出功率密度。跟同等输出功率的硅或者砷化镓微波电子器件相比，氮化镓器件具有更高的功率附加效率，从而具有更低的能量损耗。

由于氮化镓自支撑衬底技术的不成熟，目前氮化镓微波毫米波器件中，氮化镓基的材料主要淀积在异质衬底上。目前为止用于氮化镓材料生长的衬底主要有碳化硅和硅。碳化硅基氮化镓的器件得益于碳化硅与氮化镓的较小的晶格失配、碳化硅较高的导热性能，具有较低的热阻和较高的输出功率密度，研发比较早，技术也比较成熟。碳化硅基氮化镓的微波器件已经广泛应用于军事雷达、卫星、通信基站等领域。但是，受限于价格比较高、尺寸比较小的碳化硅衬底，碳化硅基氮化镓器件的成本比较高。而硅基氮化镓器件由于硅衬底晶圆的大尺寸、低成本、和硅生产线的规模生产优势，其成本比较低，性价比比较高。硅基氮化镓微波毫米波器件以后有望大规模应用于5G通信基站和手机等移动通信终端。

但是，与碳化硅基氮化镓器件相比，硅基氮化镓器件的一个重要缺点是热阻比较高，从而散热性能比较差，因此限制了硅基氮化镓微波毫米波器件的输出功率密度和效率。首先，硅衬底的热导率比较差，典型碳化硅衬底的室温热导率值为4.0W/cm·K，而硅衬底只有1.5W/cm·K。其次，在硅衬底上进行氮化镓基的材料外延时，由于硅与氮化镓晶体材料的晶格失配比较大，需要在氮化镓器件有源结构与硅衬底之间插入很厚的成核层和过渡层，例如渐变铝组分的铝镓氮材料或者氮化铝/氮化镓超晶格材料，这种成核层和过渡层的晶体材料质量比较差，缺陷比较多，热导率也很差。器件自身产生的热量不能及时的被缓冲层、成核层、过渡层以及衬底耗散掉，从而导致热量在沟道里累积成明显的自热效应。决定硅基氮化镓微波毫米波器件自热效应严重与否取决于两个方面，第一是GaN沟道与缓冲层材料及以下成核层、过渡层以及衬底各层的热导率，第二便是各层之间的界面热阻。界面热阻主要描述了发生于材料界面之间的热传导过程，其值为热边界传导率的倒数。界面材料的不同热导率导致了热耦合，声子在界面传播效率决定了界面热阻(TBR)的大小，同时界面的晶格失配与缺陷会使TBR增大。较大的TBR所引起的自热效应将更加明显，是限制器件散热性能的重要因素，因此必须将其降至最小，以得到最优的性能。